輕質吸能材料在地下礦山巷道讓壓支護中的數值模擬研究

侯俊，張小瑞，易觀勝

摘要：在深部黃金資源開發過程中，復雜破碎圍巖巷道支護是礦山亟須解決的問題之一。目前礦山多使用鋼拱架背木聯合支護形式，但木材可燃易腐蝕的特點，不適用于井下永久支護。基于數值模擬研究，提出采用具有輕質吸能特點的新型支護材料作為襯砌，在巷道支護中取代背木的作用。理論分析結果表明，新型輕質吸能類材料具有明顯的吸能、讓壓效果，較為適用于復雜破碎巷道讓壓支護體系。

關鍵詞：輕質吸能材料；初砌；讓壓支護；巷道支護；數值模擬

中圖分類號：TD353文章編號：1001-1277（2023）05-0008-04

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20230503

引言

隨著中國對礦產資源需求的日益增加，地表等淺部資源已日趨短缺，向地球深部尋求所必需的礦產資源將是黃金等金屬礦產資源開發的主要形式。在此期間，復雜破碎圍巖巷道支護也將成為地下礦山，尤其是黃金礦山采掘過程中面臨的常態化問題［1-2］。隨著采掘深度增加，地下巷道和硐室周圍巖體應力也會相應提高，原本質地堅硬的巖石在地下高應力環境中則可能變得破碎，并在高地應力的驅使下發生顯著變形，這就使得深部巖體工程施工過程中的隱患日益趨多，特別是冒頂、片幫、底鼓等一系列地壓顯現問題，不僅影響礦山生產，嚴重時還會威脅礦山設備及主要作業人員的安全［3-5］。

針對上述巷道支護問題，結合木材良好的彈性和強度特征，目前礦山多使用鋼拱架+木質背木的支護方式，起到了較好的支護效果。受井下復雜的環境影響，這種支護方式也存在以下問題：

1）井下環境潮濕，木材易腐蝕變形，影響支護強度，需要定期更換，增加支護成本，且在更換過程中施工安全隱患較大。

2）木材作為易燃材料，在井下生產過程中極易造成火災、毒氣等安全隱患，影響企業的安全生產。GB 16423—2020 《金屬非金屬礦山安全規程》中明確規定：不應采用木材或者其他可燃材料作永久支護［6］。

因此，針對復雜破碎圍巖巷道支護中木質背木易腐蝕、易燃、安全性差、支護成本高等問題，本文提出了一種基于水泥基的新型輕質吸能支護材料，取代井下支護背木，提升復雜破碎圍巖巷道支護安全性與經濟效益，保障礦山安全經濟高效生產。

1讓壓支護體系

復雜破碎圍巖巷道支護主要是為了控制圍巖的收斂變形，使之避免出現過度變形而引起松動圈的進一步擴展，從而導致圍巖出現較高的松散壓力［7-9］。依據能量守恒定律和地壓顯現規律，區別于其他支護結構，讓壓支護結構通常允許圍巖產生一定變形，從而對地壓進行釋放，并提供恒定的支護作用，及時協調圍巖松散壓力與支護結構反力，即通過緩沖材料的吸能特點，釋放一定的松散圍巖巖移，吸收圍巖深部傳遞而來的地壓，減小支護結構尤其是鋼拱架所承擔的地壓及松散圍巖荷載，從而避免應力集中現象，提高巷道支護結構服務壽命，增加巷道穩定性。本文所用的輕質吸能材料是一種由輕質添加劑和水泥充分混合形成的多孔材料，由于材料體內的胞孔特征，導致其能夠通過壓縮胞孔承受較大變形，并同時提供一定的約束反力，進而達到讓壓支護的效果。

2模型參數設置

2.1模擬假設與簡化

數值模擬分析采用ABAQUS有限元數值模擬軟件。為方便計算，對模型進行一定的簡化與假設：①材料各向同性且均質。②圍巖為完整的連續實體。③不考慮鋼拱架與襯砌之間的縫隙，認為鋼拱架與襯砌之間接觸良好。

2.2材料本構模型與基本參數

本文主要就輕質吸能材料、背木及混凝土3種不同材料的支護效果進行對比。考慮到輕質吸能材料體積壓縮率較高，能夠產生較大塑性變形，因此模擬過程中選用ABAQUS材料庫中能夠較好的表現該種材料特性的可壓縮泡沫-體積硬化模型［10］，而其他材料則簡化為彈性本構模型或摩爾-庫侖模型。各種材料的主要物理力學參數如表1所示。

2.3模型總體概況

1）力學單位制。采用國際標準單位制，長度為米（m），壓強為帕（Pa）。

2）單元設置。襯砌、圍巖采用實體單元（solid），鋼拱架采用梁單元（beam）。

3）模型尺寸。結合現有研究成果和工程案例實際，巷道開挖后，距離巷道中線3倍洞徑范圍內，圍巖應力場分布變化一般小于5 %，5倍時則僅有不到1 %。因此，一般根據巷道開挖斷面尺寸，取3～5倍巷道斷面尺寸進行模擬。

參考TB 10003—2016 《鐵路隧道設計規范》中較差圍巖條件下襯砌結構建議值及國內外典型復雜破碎圍巖巷道襯砌結構組成及厚度，襯砌厚度（即取代背木的輕質吸能材料）可取0.3 m。

本次模擬過程中取巷道形狀為直墻半圓拱形巷道，拱高1.5 m，墻高1.5 m，巷道寬度為3 m，巷道規格為3 m×3 m，考慮巷道開挖引起周圍巖體擾動影響，取圍巖邊界尺寸為100 m×100 m，如圖1所示。

4）邊界條件。在數值計算時需要考慮地層構造應力的影響，其中側向均布構造應力可表示為：

σ=kqv（1）

式中：σ為側向均布構造應力（MPa）；k為側壓力系數，對應擠壓等級，取值范圍如表2所示；qv為垂直應力（MPa）。

某金礦巷道采深約為500 m，因此模型上表面巖層高度約為500 m，垂直方向取巖層自重壓力，同時根據國內地應力調查情況，一般深度達到500 m左右，側壓力系數多為1.0～1.5，因此設置最大側壓力系數取1.0。計算時，約束圍巖模型底部、前后及兩側的位移邊界。其中，模型底面全約束，兩側及前后面僅約束相應方向的位移矢量。

5）監測點。在數值模擬過程中主要監測巷道拱底、拱肩、拱頂、底板的應力位移變化（如圖2所示）。

3數值模擬結果及分析

3.1巷道圍巖應力與位移對比

不同材質襯砌圍巖應力與位移隨應力釋放關系如圖3所示（其中，尾標1，2，3分別代表輕質吸能材料、C25混凝土和木材）。由圖3可知，采用3種材料進行支護，圍巖應力分布情況差異較小，對圍巖位移的限制影響也較小。

但總體來說，采用C25混凝土對圍巖的巖移控制效果要優于木材和輕質吸能材料。這是因為C25混凝土在模擬過程中設置為理想彈性材料，且其彈性模量遠大于其他2種材料，可認為是類剛性支護，因此對巖移的限制效果要稍好于其他2種材料。此外，由圖3也可以初步說明，圍巖應力釋放過程中的巖移力量較大，無論采取何種支護措施，巷道巖移都是不可避免的［11］。

3.2襯砌應力與位移對比

不同材質襯砌應力與位移隨圍巖應力釋放關系如圖4所示。由圖4可知，隨圍巖應力逐步釋放，襯砌上的應力逐步增加，不同材料的彈性模量不同，因此吸收巖移能量后的體現也不同。

彈性模量大的材料，如C25混凝土，剛度較大，吸收巖移能量后，變形較小，但內部殘存應力較大，由于其強度和剛度較大，在鋼拱架的約束下，拱頂內部呈現最大壓應力，遠小于其強度，可認為支護體系是安全的；彈性模量小的材料，如輕質吸能材料，剛度較小，吸收巖移能量后，變形較大，通過其內部結構中孔隙的坍塌、閉合導致的大變形來吸收巖移能量，因此其內部殘余應力水平較低，一般不超過2 MPa。而在模擬過程中將木材視作C25混凝土剛性體和輕質吸能材料柔性體中間的一種剛柔并濟的材料，其應力和位移分布的情況也滿足上述規律。

因此，輕質吸能材料作襯砌結構時，除拱頂外，拱腳、拱肩外的圍巖位移最小，因此可表明輕質吸能材料支護效果優于C25混凝土。

3.3鋼拱架應力與位移對比

不同材料襯砌圍巖應力釋放終了時的鋼拱架應力與位移分布情況如圖5所示。鋼拱架作為支護體系內的主要承載構件，應力分布由拱頂向拱腳逐漸傳遞。但是受其形狀和結構特點，變形量最大處體現在拱肩部分。不同襯砌材料導致襯砌率先吸收巖移能量的多少不同，從而傳遞至鋼拱架上的能量多少也不同。剛度大的材料吸收的能量少，傳遞至鋼拱架上的能量就多，導致鋼拱架應力較大，位移較大，更容易導致支護體系失穩和失效；而剛度小的材料由于緩沖和讓壓的天生優勢，吸收的巖移能量更多，從而導致傳遞至鋼拱架上的能量減少，鋼拱架受力情況良好，更容易確保支護體系的穩定。

因此，輕質吸能材料讓壓緩沖支護材料對于巖移的能量吸收較好，變形較大，內部應力水平較低，采用輕質吸能材料讓壓緩沖支護材料后，傳導到鋼拱架上的應力明顯得到改善，位移也顯著降低。

4結論

通過對輕質吸能材料作為襯砌結構進行數值模擬研究，根據對不同材質襯砌支護后的巷道圍巖、襯砌及鋼拱架等支護體系的應力與位移分析，得到如下結論：

1）輕質吸能材料作襯砌結構時，除拱頂外，拱腳、拱肩外的圍巖位移最小，因此可表明輕質吸能材料支護效果優于C25混凝土。

2）輕質吸能材料讓壓緩沖支護材料對于巖移的能量吸收較好，變形較大，內部應力水平較低。

3）采用輕質吸能材料讓壓緩沖支護材料后，傳導到鋼拱架上的應力明顯得到改善，位移也顯著降低。

綜上，對比C25混凝土剛性材料，采用輕質吸能材料作為襯砌材料具有明顯的吸能、讓壓效果，較為適用于復雜破碎巷道讓壓支護體系。

［參 考 文 獻］

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Numerical simulation study on lightweight energy-absorbing materials used

in pressure relief support of underground mine tunnelsHou Jun1，Zhang Xiaorui1，Yi Guansheng2

（1.Changchun Gold Research Institute Co.，Ltd.; 2.School of Resources and Safety Engineering，Central South University）

Abstract：The support of complex and fractured surrounding rock tunnels is one of the challenges that should be dealt with urgently during the development process of deep gold resources.At present，mines often use joint support methods with steel arch frames and wood.However，due to the inflammable and? easily corrosible properties of wood，it is not applicable for permanent underground mine support.Therefore，based on the numerical simulation study，this paper proposes to use new type of support materials with lightweight energy-absorbing characteristics as the lining to replace the wood in the support of tunnels.The theoretical analysis shows that the new type of support materials has obvious energy absorption and pressure relief effects and is more suitable for the pressure relief support system for complex and fractured tunnels.

Keywords：lightweight energy-absorbing materials;lining;pressure relief support;tunnel support;numerical simulation